并聯電容器智能監測硬件系統設計

費曉峰

（日新電機（無錫）有限公司，江蘇 無錫 214112）

在電力行業向自動化、智能化發展的過程中，并聯電容器的監測手段卻并沒有得到與時俱進的創新，設計一種適用于并聯補償電容器的智能監測系統既有必要性又有緊迫性。在設計智能監測系統時，可以參考現行有關規定，以334 kvar及以上的電容器為例，當實際電容量低于標準電容量的3%時，應開展檢查；當實際電容量低于標準電容量的5%時，應退出運行。智能監測系統的功能實現原理為：利用前端傳感器實時采集監測范圍內每一臺并聯電容器的實時運行參數，經過處理后與標準工況進行對比，如果超出允許范圍，則認定存在故障，然后進行報警并提醒設備管理人員展開維修，從而實現超前預警、及時處理。

1 并聯電容器智能監測硬件系統的設計思路

該系統硬件部分的設計思路為：將監測范圍內的每一臺電容器并聯電流傳感器，從而實現對電容器運行狀態下電流信息的實時采集；同時，使用無線傳輸模塊將電流信號傳輸至中心站控制端，利用計算機對采集到的前端電流信息進行處理、計算，得出電流有效值，這樣就實現了對并聯電容器運行工況的動態監測，系統組成如圖1所示。

圖1 智能監測硬件系統的結構組成

2 電流信號采集系統設計

選擇不同型號、使用不同安裝方式的電容器，其允許的電流范圍也表現出明顯差異。這里以某變電站使用的35 kV“12并4串”電容器組為例，采用星形連接方式，在正常工況下允許的電流閾值為30～60 A。根據設備管理要求，用于采集并聯電容器電流信號的傳感器，精度必須小于3%，再加上并聯電容器組中電容器的布置密度較大，因此對智能監測硬件系統中電流信號采集模塊的綜合性能提出了較為嚴格的要求。在電流信號采集模塊設計中，電流傳感器的科學選型至關重要。

2.1 電流互感器型傳感器

此類型的電流傳感器采用環形結構，主邊匝數較少，通常為一匝或幾匝；副邊匝數較多，可以達到幾百甚至上千匝。使用該傳感器監測電容器電流時，只需要將電容器的引出導線穿過環形結構即可。為了提高電流監測的精度，傳感器的磁芯材料應選擇具有高磁導率的坡莫合金，理論上來說磁導率需要達到105級別。這樣測得的諧波電流數值較小，精度也會有明顯提升。另外，還可以采取增大鐵芯界面的方式控制測量誤差。如果需要測量脈沖電流，需要將傳感器的鐵芯材料替換為鐵氧體，測量頻帶范圍可以升高至600 kHz～1 MHz。電流傳感器的結構組成如圖2所示。

圖2 電流傳感器結構原理圖

結合圖2，電流信號I1與次級線圈上的感應電壓E2之間存在以下關系

式中：N2表示副邊線圈匝數；S表示線圈橫截面積；l表示磁路長度；μ表示磁通量。由式（1）可得，如果待測電流升高，則電壓輸出信號也會相應增加，兩者之間為正相關。這樣就可以根據輸出電壓信號的變化，實現對并聯電容器電流信號的實時監測。

2.2 磁敏型傳感器

此類型的傳感器是基于半導體的磁敏特性，測量磁感應強度，然后求得被監測電容器的電流值。該設備的核心部件是霍爾元件，當霍爾元件周邊有一定強度的磁場時，使用導線連接霍爾元件的左側，并通入電流Is，此時在右側會產生霍爾電勢UH。根據UH的變化，也能夠反推出并聯電容器的電流。基于霍爾電流的傳感器運行原理如圖3所示。

圖3 補償式霍爾電流傳感器原理圖

假設并聯電容器在正常運行情況下內部電流（即待測電流）為I1，將其置于環形鐵芯中，利用鐵芯產生的環形閉合磁場提高電流監測的靈敏度。在I1產生的磁場影響下，霍爾元件輸出電壓信號經過A進行放大，然后進入補償線圈。在電磁感應作用下，補償線圈同時產生磁場，并且該磁場的方向與電流產生磁場的方向完全相反。如果此時存在“I1N1=I2N2”，則磁芯中磁通量等于0，則待測電流I1的表示式為

式中：N1和N2分別表示初級繞組與補償繞組的匝數；I2表示補償繞組中的電流。從實際應用效果來看，霍爾電流傳感器具有響應時間短、監測范圍廣和適用性好等一系列優點。例如，其鐵芯體積較小，既能做貫穿式結構，也可以做成鉗式結構；可監測的電流最高能達到500 A。當然，霍爾電流傳感器也有自身的缺陷，例如監測精度易受外界環境溫度的影響。因此在并聯電容器的智能檢測中，需要將霍爾電流傳感器與相連電路制作成集成板，從而提高其抗干擾能力。

3 數據采集與傳輸系統設計

“12并4串”電容器組采用上下層結構，每1串即為1層，每個串段共有12個電容器并聯。4個串段的電位不同，因此在實際監測時需要為每1臺電容器分別配備1臺電流傳感器，以便于精準獲取監測范圍內任意一臺電容器的電流。為了實現對電容器運行工況的全程監測，要求對電容器的電流波形進行連續采集，然后利用無線通信系統將采集到的信息發送給中心站，由中心站計算機計算電流有效值，進而掌握電容器的實時工況。需要注意的是，由于并聯電容器數量較多，為提高采集數據的精確性，要求各個通道必須同步采集數據，盡可能地減小采樣時間差，這也是提高監測結果可靠性的一種有效舉措。本系統功能的順利實現，主要依賴于3個核心部分，即數據采集模塊、中心站處理模塊和無線傳輸網絡。

3.1 數據采集模塊

核心組成有2部分，即前端數據采集單元和無線通信單元。前者收集所得的數據（如電流信號、電容信號等），經過降噪、濾波、放大等預處理程序后，再通過內置的無線模塊實現數據的傳送。其中，無線傳送模塊的結構組成和運行原理如圖4所示。

圖4 無線采集發送模塊原理圖

在該模塊中，A/D轉換器與ARM器件的數據傳輸速率均可滿足12.8 kHz采樣頻率要求。支持該模塊運行的電能由供能單元提供，電壓為±15 V。為了簡化系統結構，將電源部分設計成獨立的電源板，這樣可以提高與CPU板的兼容性，同時進一步壓縮體積，減少空間占用。該模塊的運行功率為2 W，CPU與通信模塊均采用“睡眠”方式，即需要接收指令或發送數據時，啟動運行；空閑狀態下待機，從而降低系統運行能耗。

3.2 中心站處理模塊

該模塊主要負責處理前端傳送的數據，其核心組成有計算機、通信模塊和控制設備等。計算機除了完成采集數據的處理外，還會根據數據計算結果和控制程序，自動生成或者由用戶自定義控制指令，并利用中心通信模塊將該指令下達至前端的控制單元。控制設備根據指令完成相應的動作，從而實現智能監測系統的閉環運行。另外，考慮到監測范圍內并聯電容器的數量較多，并且與中心站計算機之間的距離較遠，為保證通信效率和提高響應速度，在通信模式上可以選擇RS-232接口，連接串口服務器，可以有效避免多臺電容器的監測傳感器同步反饋信息時出現信道堵塞的問題。

3.3 無線傳輸模塊

本系統的無線傳輸模塊具備2項基本功能，即下達中心計算機發布的調控指令，以及上傳前端采集到的數據。本系統選擇2.4G無線模塊來滿足通信需求。由于變電站多臺電容器被分布在不同位置，使得不同電容器之間在數據采集和指令執行方面會存在時間差，難以保持完全同步。為解決這一問題，本文提出了以下優化方法：一種是增加天線高度，提高天線信號的覆蓋范圍；另一種則是安裝接力路由，在電容器與中心站的通信路線上每隔一定距離布置1臺路由器，采用接力路由的方式實現數據的同步傳送和指令的同步下達。

本文在設計無線網絡時應用了ZigBee技術，作為一種短距離、低功耗、低成本和高穩定性的無線通信技術，基于ZigBee進行無線組網，可以支持2種傳輸方式：如果通信距離較遠，并且電容器的分布比較密集，這種情況下必須加裝中繼無線通信模塊，在解決通信延時問題的基礎上，提高采集數據的同步性。一般來說，加一級中繼組網即可滿足絕大多數情況下的無線傳輸需要；如果通信距離較近，但是電容器的分布零散，可以在整個監測范圍內靈活布置幾個采樣點。首先由采樣點就近收集電容器的電流信號，然后再將各個采樣點的信號按照設定好的時間點同步發送至中心站計算機。

4 供能單元系統設計

在“12并4串”的電容器組中，由于電流傳感器、數據采集模塊在運行中產生的功耗較高，為保證其可靠運行需要安裝在高電位。同時，為了避免串擾情況，還必須在相鄰的2臺電容器之間采取絕緣保護措施。在設計智能監控系統的功能單元時，可供選擇的供能方式有3種，分別是一次側的大電流供能、激光供能和太陽能與蓄電池聯合供能。對比這3種供能方式，激光供能本身成本偏高，加上并聯電容器數量較多，將會大幅度增加系統運行成本，因此不宜選擇；太陽能與蓄電池聯合供能的成本較低，但是受到天氣的影響較大，并且在沒有穩流器的情況下，電壓波動明顯，也難以保證系統運行的可靠性。因此，綜合對比來看，本系統的供能單元選擇基于電磁耦合的方式，利用一次側大電流供能。

另外，考慮到現場電容器組的布置較為緊密，因此用于監測的電流傳感器和功能線圈也需要優化設計，以滿足現場安裝需要。為了節約空間，本文采取了電流傳感器與供能線圈的一體化設計，將電流傳感器與功能線圈的一體化裝置安裝在電容器套管的底部，通過現場測量和驗算，該一體化裝置安裝后爬電距離為40 m，按比距為2.5 cm/kV來計算，能夠達到Ⅲ級污穢要求。

5 結束語

并聯補償電容器作為現代電力系統中常見的一種器件，在減損升壓、保障正常供電等方面發揮了重要作用。但是由于運行環境比較惡劣，加上投入運行年限的增加，并聯電容器及其連接線路不可避免地會出現材料老化、絕緣失效等一系列問題。而傳統的檢修模式側重于事故后的處理，經常會出現設備停運、電力中斷的情況，帶來嚴重的經濟損失。在建設“智能電網”的背景下，本文設計的一種并聯電容器智能監測系統，涵蓋了用于收集電流數據的傳感器、用于數據傳輸的通信模塊及用于數據處理的中心站計算機，可以實現對被監測電容器實時運行工況的動態監測、智能分析，做到了潛在運行故障的超前識別，為故障處理提供了依據，切實保障了并聯電容器乃至整個電力系統的運行安全。下一步，還要繼續開展并聯電容器智能監測系統軟件方面的設計，然后進行仿真驗證和現場試點應用，以期實現該監測系統的盡快普及。